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钢桥具有自重轻,跨越能力好,施工工期短,可回收利用等诸多优点,在近年来随着材料及建造技术的发展和进步被广泛地采用。而疲劳作为钢桥常见问题尚未得到彻底解决,近年来钢结构脆断的实例也时常发生。因此,研究桥梁用结构钢的疲劳断裂韧性具有重要的工程意义。 在总结分析国内外研究方法的基础上,为深入研究桥梁用结构钢的疲劳和断裂性能,本文总结了桥梁用结构钢的化学成分及基本力学性能,并按照现行相关国家标准的规定,对具有代表性的兰州中山桥百年钢材及高性能钢HPS485W进行了裂纹扩展速率试验、夏比冲击试验、裂纹尖端张开位移CTOD试验、延性断裂韧度JIC试验和带孔缩尺试样的拉伸疲劳试验。总结桥梁钢16Mn、16Mnq、Q370qE、Q390E、14MnNbq、Q420qE钢和国产高性能桥梁钢Q500qE已有的研究成果。研究不同桥梁钢的疲劳与断裂性能,为钢桥抗疲劳、防断裂设计及旧桥的剩余寿命评估提供依据,并从疲劳与断裂性能的角度分析桥梁结构钢的发展过程。 本文采用紧凑拉伸C(T)试样对兰州中山桥百年钢材和高性能钢HPS485W进行了裂纹扩展速率试验,用Paris公式描述两种钢材稳速扩展区的裂纹扩展规律,研究了试样厚度和应力比对裂纹扩展速率的影响。试验结果表明,厚度对裂纹扩展速率有一定影响,裂纹扩展速率随着应力比的增大而增大。几种桥梁钢抵抗裂纹扩展的能力从大到小依次为Q500qE、16Mnq、HPS485W,14MnNbq,兰州中山桥百年钢材,小凌河桥钢。 本文通过系列温度下的夏比冲击试验确定兰州中山桥百年钢材及HPS485W的冲击韧性,并用Boltzmann函数式求解材料的韧脆转变温度。HPS485W和老钢的韧脆转变温度分别为-72.8和-23.2℃。几种桥梁钢冲击韧性的优劣依次为Q500qE钢、HPS485W钢、14MnNbq钢、兰州中山桥百年钢、16Mnq钢和小凌河旧桥老钢。 通过基于断裂力学方法的裂纹尖端张开位移CTOD和延性断裂韧度JIC试验来确定HPS485W的断裂韧性,结果表明,HPS485W的断裂韧性很好,钢板垂直于轧制方向的断裂性能优于平行于轧制方向。几种钢材的断裂韧性优劣顺序为Q390E、14MnNbq、Q500qE、Q370qE、16Mnq。 通过拉伸作用下的疲劳试验,得出兰州中山桥百年钢材的疲劳性能高于AASHTO规范中的B类和BS5400的D类细节,与EUROCODE中的140类细节相当。